Capítulo 2: Revisión Bibliográfica
2.2 Explosivos
2.2.1 Agentes Explosivos Secos
Este grupo engloba, como ya se ha indicado, todos aquellos explosivos que no son sensibles al detonador y en cuya composición no entra el agua. El factor común es en todos ellos el Nitrato Amónico,por lo que seguidamente se analizarán algunas de sus propiedades.
Figura 27. Agentes explosivos secos con base Nitrato Amónico.
2.2.1.1 Nitrato Amónico
El Nitrato Amónico (NH4NO3) es una sal inorgánica de color blanco. Aisladamente, no es un explosivo, pues sólo adquiere tal propiedad cuando se mezcla con una pequeña cantidad de un combustible y reacciona violentamente con él aportando oxígeno. Frente al aire que contiene el 21% de oxígeno, el NA posee el 60%.
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Figura 28. Nitrato de Amonio.
Aunque el NA puede encontrarse en diversas formas, en la fabricación de explosivos se emplea aquel que se obtiene como partículas esféricas o prills porosos, ya que es el que posee mejores características para absorber y retener a los combustibles líquidos y es fácilmente manipulable sin que se produzcan apelmazamientos y adherencias.
La densidad del NA poroso o a granel es aproximadamente 0,8 [g/cm3], mientras que las densidades de las partículas del NA no poroso se acercan a la de los cristales (1,72 [g/cm3]), pero con valores algo inferiores (1,40-1,45 [g/cm3]) debido a la microporosidad. El NA de mayor densidad no se emplea debido a que absorbe peor al combustible y por lo tanto reacciona más lentamente con él en el proceso de detonación. Normalmente, el NA utilizado tiene una microporosidad del 15%, que sumada a la macroporosidad se eleva al 54%.
En cuanto al tamaño de las partículas suele variar entre 1 y 3 [mm].
El NA en estado sólido cuando se calienta por encima de 32,1 [°C], cambia de forma cristalina:
β Ortorrómbico Densidad del cristal = 1,72 [g/cm3].
𝛾 Ortorrómbico Densidad del cristal = 1,66 [g/cm3].
Esta transición es acompañada de un aumento de volumen del 3,6%, produciéndose seguidamente la rotura de los cristales en otros más pequeños. Cuando los cristales 𝛾 se enfrían y existe algo de humedad tienden a aglomerarse formando grandes terrones.
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La solubilidad del NA en el agua es grande y varía ampliamente con la temperatura:
Tabla 3. Solubilidad del NA dependiendo de la temperatura.
Temperatura [°C] Solubilidad [%]
10 60,0
20 65,4
30 70,0
40 73,9
de ahí que el ANFO no se utilice en pozos húmedos.
La higroscopicidad es también muy elevada, pudiendo convertirse en líquido en presencia de aire con una humedad superior al 60%. La adición de sustancias inertes hidrofílicas como el caolín o las arcillas en polvo evitan que el NA absorba humedad, aunque también disminuyen su sensibilidad.
La temperatura ambiente juega un papel importante en el proceso de absorción de la humedad.
Tabla 4. Temperatura en proceso de absorción de humedad.
En ocasiones, los granos de NA se protegen con sustancias hidrófugas que impiden su humedecimiento superficial.
El NA es completamente estable a temperatura ambiente, pero si se calienta por encima de 200°C en un recipiente cerrado puede llegar a detonar. La presencia de compuestos orgánicos acelera la descomposición y baja la temperatura a la cual ésta se produce. Así con un 0,1% de algodón el NA empieza a descomponerse a los 160°C. (Manual de perforación y voladura de rocas [4], 2003)
2.2.1.2 ANFO
Cualquier sustancia combustible puede usarse con el NA para producir un agente explosivo. En Estados Unidos a finales de los años 50 se empleaba polvo de carbón pero, posteriormente, fue sustituido por combustibles líquidos ya que se conseguían mezclas más íntimas y homogéneas con
Temperatura ambiente [°C] Humedad a partir de la cual empieza la absorción [%]
10 76
21 64
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el NA. El producto que más se utiliza es el gas-oil, que frente a otros líquidos como la gasolina, el keroseno, etc., presenta la ventaja de no tener un punto de volatilidad tan bajo y, por consiguiente, menor riesgo de explosiones de vapor.
Los aceites usados se han aprovechado también como combustible, pero tienen los inconvenientes de reducir la sensibilidad a la iniciación y propagación, la velocidad de detonación y el rendimiento energético. Debido a sus altas viscosidades tienden a permanecer en la superficie de los gránulos de NA ocupando los macroporos. Actualmente, no está justificado desde un punto de vista económico la sustitución total o parcial del gas-oil por aceites usados debido a los inconvenientes que entrañan estos productos.
El contenido de combustible juega un papel importantísimo sobre las diferentes propiedades del ANFO. La reacción de descomposición del sistema equilibrado en oxígeno es:
3𝑁𝐻4𝑁𝑂3 + 𝐶𝐻2 → 3𝑁2 + 7𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2
Ecuación 1. Reacción de descomposición del sistema equilibrado en oxígeno.
Produciendo unas 920 [kcal/kg], que puede ser inferior en los productos comerciales según el contenido en materias inertes, y un volumen de gases de 970 [L]. La mezcla estequiométrica corresponde a un 95,3% de NA y un 5,7% de gas-oil, que equivalen a 3,7 litros de éste último por cada 50 [kg] de NA.
La influencia que tiene el porcentaje de combustible sobre la energía desprendida y velocidad de detonación se ilustra a continuación:
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Se ve pues que no interesan ni porcentajes inferiores ni superiores al indicado si se pretende obtener el máximo rendimiento en las tronaduras. También el contenido de combustible afecta a la cantidad de gases nocivos desprendidos en la explosión (CO + NO).
Figura 30. Humos producidos por diferentes porcentajes de gas-oil.
Cuando en las tronaduras los humos producidos tienen color naranja, ello es un indicativo de un porcentaje insuficiente de gas-oil, o bien que el ANFO ha absorbido agua de los pozos o no se ha iniciado correctamente.
La variación de sensibilidad con la cantidad de combustible también es acusada, pues con un 2% de gas-oil la iniciación puede conseguirse con un detonador, aunque la energía disponible es muy baja, y con una cantidad superior al 7% la sensibilidad inicial decrece notablemente.
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Figura 31. Sensibilidad del ANFO a la iniciación.
Tal como se ha indicado anteriormente con el NA, el agua es el principal enemigo del ANFO, pues absorbe una gran cantidad de calor para su vaporización y rebaja considerablemente la potencia del explosivo. En cargas de 76 [mm] de diámetro una humedad superior al 10% produce la insensibilización del agente explosivo. En tales casos el único recurso de empleo consiste en envolver al ANFO en recipientes o vainas impermeables al agua.
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Las características explosivas del ANFO varían también con la densidad. Conforme ésta aumenta la velocidad de detonación se eleva, pero también es más difícil conseguir la iniciación. Por encima de una densidad de 1,2 [g/cm3] el ANFO se vuelve inerte no pudiendo ser detonado o haciéndolo sólo en el área inmediata al iniciador.
El tamaño de los gránulos de NA influye a su vez en la densidad del explosivo. Así, cuando el ANFO se reduce a menos de 100 mallas su densidad a granel pasa a ser 0,6 [g/cm3], lo que significa que si se quiere conseguir una densidad normal entre 0,8 y 0,85 [g/cm3] para alcanzar unas buenas características de detonación será preciso vibrarlo o compactarlo.
Por otro lado, el diámetro de la carga es un parámetro de diseño que incide de forma decisiva en la velocidad de detonación del ANFO:
Figura 33. Influencia del diámetro de la carga sobre la velocidad de detonación.
El diámetro crítico de este explosivo está influenciado por el confinamiento y la densidad de carga.
La sensibilidad de iniciación del ANFO disminuye conforme aumenta el diámetro de los pozos.
Aunque el ANFO se emplea predominantemente como carga a granel, es importante saber que la energía por metro lineal de columna disminuye con el desacoplamiento. Cuando el confinamiento de la carga no es grande la «VD» y la presión máxima sobre las paredes de los pozos disminuyen. (Manual de perforación y voladura de rocas [4], 2003)
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2.2.1.3 ALANFO
Como la densidad del ANFO es baja, la energía que resulta por unidad de longitud de columna es pequeña. Para elevar esa energía, se añade a ese agente explosivo productos como el Aluminio con unos buenos resultados técnicos y económicos, sobre todo cuando las rocas son masivas y los costes de perforación altos.
Cuando el aluminio se mezcla con el nitrato amónico y la cantidad es pequeña la reacción que tiene lugar es:
2𝐴𝑙 + 3𝑁𝐻4𝑁𝑂3 → 3𝑁2 + 6𝐻2𝑂 + 𝐴𝑙2𝑂 + 1.650 [𝑐𝑎𝑙 𝑔 ]
Ecuación 2. Reacción de NA con aluminio en pequeña cantidad.
Pero si el porcentaje de aluminio es mayor, la reacción que se produce es:
2𝐴𝑙 + 𝑁𝐻4𝑁𝑂3 → 𝑁2 + 2𝐻2+ 𝐴𝑙2𝑂3+ 2.300 [𝑐𝑎𝑙 𝑔 ]
Ecuación 3. Reacción de NA con aluminio en mayor cantidad.
A continuación se indica la energía producida por el ALANFO con respecto al ANFO para diferentes cantidades de metal añadidas:
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El límite práctico, por cuestiones de rendimiento y economía se encuentra entre el 13 y el 15%. Porcentajes superiores al 25% hacen disminuir la eficiencia energética.
Las especificaciones que debe cumplir el aluminio son: en cuanto al tamaño que se encuentre casi el 100% entre las 20 y las 150 mallas y en cuanto a la pureza que sea superior al 94%.
En estos agentes explosivos, la pureza no es tan crítica como en los hidrogeles, ya que no es de temer la acción galvánica producida por los cambios de pH. Esto significa que restos o desechos de aluminio de otros procesos pueden emplearse en la fabricación del ALANFO. El límite inferior de tamaño es debido a que si el Al está en forma de polvo pueden producirse explosiones incontrolables. (Manual de perforación y voladura de rocas [4], 2003)